KR20140030460A - Step shape semiconductor memory device and method for manufacturing of the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a stepped semiconductor memory device and a method for manufacturing the same. A stepped insulating layer is formed by performing a slimming process on the upper part of the semiconductor substrate. After that, memory cells are formed on the sidewall of the stepped insulating layer by performing a spacer etching process and a material layer (conductive layer, insulating layer) deposition process several times. In the present invention, when the material layer is patterned, a spacer etching process is mainly used and the number of photolithography processes which causes loss at a relatively high cost can be minimized. Because the memory cells have a stepped structure, high integration can easily be realized.

Description

계단형의 반도체 메모리 소자 및 그 제조방법{step shape semiconductor memory device and method for manufacturing of the same}Step shape semiconductor memory device and method for manufacturing of the same

본 발명은 반도체 메모리 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 계단형의 상변화 메모리 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor memory device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a stepped phase change memory device and a method for manufacturing the same.

정보 통신 분야의 급속한 발달과 정보 매체의 급속한 대중화에 따라 초고속 동작이 가능하고 대용량의 메모리 저장 능력을 가지는 차세대 반도체 메모리 소자에 대한 수요가 점차 증가하고 있다. With the rapid development of the information and communication field and the rapid popularization of information media, the demand for next-generation semiconductor memory devices capable of ultra-fast operation and large memory storage capacity is increasing.

차세대 반도체 메모리 소자는 디램등의 휘발성 메모리 소자 및 플래쉬 메모리등의 비휘발성 메모리 소자의 장점을 취하여 개발된 것으로서, 구동시 전력 소모량이 적으면서도 데이터의 유지 및 리드 라이트 동작 특성이 우수하다. Next-generation semiconductor memory devices have been developed to take advantage of volatile memory devices such as DRAM and nonvolatile memory devices such as flash memory, and have excellent data retention and read / write operation characteristics with low power consumption during driving.

이러한 차세대 반도체 메모리 소자로서는 PCRAM(Phase Change Random Access Memory), RRAM(Resistive Random Access Memory), STT-RAM(Spin Transfer Torque Random Access Memory) 또는 PoRAM(Polymer Random Access Memory)등의 소자가 활발히 연구되고 있다.As such next-generation semiconductor memory devices, devices such as PCRAM (Phase Change Random Access Memory), RRAM (Resistive Random Access Memory), STT-RAM (Spin Transfer Torque Random Access Memory) or PoRAM (Polymer Random Access Memory) have been actively studied. .

한편, 상기와 같은 반도체 메모리 소자들을 제조함에 있어서, 집적회로가 구현되는 메모리 셀들을 인쇄회로기판(PCB)상에 평면적으로 배치시키는 2차원 구조의 집적도 향상은 그 한계에 도달하였다. 따라서, 최근에는 이러한 2차원 구조에서 벗어나 메모리 셀들을 기판으로부터 수직하게 적층시키는 3차원 구조에 관한 기술로 점차 다양하게 발전하고 있다.Meanwhile, in manufacturing the semiconductor memory devices as described above, the improvement in the degree of integration of a two-dimensional structure in which memory cells in which an integrated circuit is implemented is planarly disposed on a printed circuit board (PCB) has reached its limit. Therefore, in recent years, various developments have been made to the technology related to a three-dimensional structure in which memory cells are vertically stacked from a substrate.

일반적으로 반도체 메모리 소자는 이온주입공정(불순물 확산공정), 증착공정, 식각공정, 평탄화공정, 세정공정, 건조공정, 패키지 공정등과 같은 수많은 단위 공정들을 반복 수행함으로써 제조하게 된다.In general, a semiconductor memory device is manufactured by repeatedly performing a number of unit processes such as an ion implantation process (impurity diffusion process), a deposition process, an etching process, a planarization process, a cleaning process, a drying process, and a packaging process.

특히, 상기 패턴 형성을 위한 식각공정 중, 포토리소그라피 공정은 마스크 제작, 감광막 도포, 노광(exposure)/현상(develop) 과정등이 수반되는 공정으로서, 반도체 메모리 소자의 비트라인/워드라인을 비롯한 다양한 단위 패턴들을 제조하는데 이용되는 매우 기본적이고도 중요한 역할을 담당하는 공정이다.In particular, among the etching processes for forming the pattern, the photolithography process is a process involving a mask fabrication, a photoresist coating, an exposure / development process, and the like, including a bit line and a word line of a semiconductor memory device. It is a process that plays a very basic and important role used to make unit patterns.

그러나, 반도체 메모리 소자의 고집적화에 따라 패턴의 선폭이 노광 한계 해상도(resolution)보다 작아져 공정의 난이도가 점차 높아지고 있으며, 이에 따라 페일 발생률이 높아지고 있다. 또한, 메모리 셀을 구성하는 단위 패턴 제조시마다 각각의 마스크를 따로 제작하여야 하므로 제조 비용을 증가시키게 된다. However, with the higher integration of semiconductor memory devices, the line width of the pattern is smaller than the exposure limit resolution, so that the difficulty of the process is gradually increased, thereby increasing the fail generation rate. In addition, each mask is manufactured separately for each unit pattern constituting the memory cell, thereby increasing manufacturing cost.

따라서, 본 분야에서는 반도체 메모리 소자의 수율을 증대시키고 제조 비용을 감소시키기 위해서 이러한 포토리소그라피 공정을 최소화할 수 있는 다양한 방법들이 연구되고 있다. Accordingly, various methods for minimizing the photolithography process have been studied in order to increase the yield of semiconductor memory devices and reduce manufacturing costs.

본 발명의 목적은, 포토리소그라피 공정 횟수를 최소화할 수 있도록 하는 계단형의 반도체 메모리 소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.An object of the present invention is to provide a stepped semiconductor memory device and a method of manufacturing the same to minimize the number of photolithography process.

본 발명의 다른 목적은, 수율을 증대시키고 제조비용을 최소화할 수 있도록 하는 계단형의 반도체 메모리 소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다. Another object of the present invention is to provide a stepped semiconductor memory device and a method for manufacturing the same, which can increase the yield and minimize the manufacturing cost.

본 발명의 다른 목적은, 고집적에 유리한 계단형의 반도체 메모리 소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다. Another object of the present invention is to provide a stepped semiconductor memory device and a method for manufacturing the same, which are advantageous for high integration.

본 발명의 제1실시예에 따른 계단형의 반도체 메모리 소자는, 반도체 기판 상부에 슬리밍 공정을 통하여 형성된 계단형의 절연막; 상기 계단형의 절연막 측부에 형성되어 있으며, 데이터 저장물질의 최상부 표면이 주위의 다른 물질막과 동일선상에 위치하는 다수개의 메모리 셀; 상기 계단형의 절연막 상에 형성되며, 상기 메모리 셀의 하부에 형성되어 있는 계단형의 워드라인; 및 상기 메모리 셀의 상부에 상기 워드라인과 교차 형성되어 있는 비트라인을 포함한다. A stepped semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention includes a stepped insulating film formed on a semiconductor substrate through a slimming process; A plurality of memory cells formed on the sidewalls of the stepped insulating layer and having the top surface of the data storage material collinear with other surrounding material films; A stepped word line formed on the stepped insulating layer and formed under the memory cell; And a bit line intersecting the word line on the memory cell.

본 발명의 제2실시예에 따른 계단형의 반도체 메모리 소자는, 반도체 기판 상부에 슬리밍 공정을 통하여 형성된 계단형의 절연막; 상기 계단형의 절연막 측부에 형성되어 있으며, 데이터 저장물질의 최상부 표면이 주위의 다른 물질막에 비해 보다 높은 다수개의 메모리 셀; 상기 계단형의 절연막 상에 형성되며, 상기 메모리 셀의 하부에 형성되어 있는 계단형의 워드라인; 및 상기 메모리 셀의 상부에 상기 워드라인과 교차 형성되어 있는 비트라인을 포함한다.A stepped semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention includes a stepped insulating film formed on a semiconductor substrate through a slimming process; A plurality of memory cells formed on a side of the stepped insulating layer and having a top surface of the data storage material higher than other material films in the vicinity; A stepped word line formed on the stepped insulating layer and formed under the memory cell; And a bit line intersecting the word line on the memory cell.

본 발명의 제1실시예에 따른 계단형 반도체 메모리 소자의 제조방법은, 반도체 기판 상부에 제1층간절연막을 증착한 뒤, 상기 제1층간절연막에 식각 공정을 반복 실시하여 계단 구조로 형성하는 단계와; 상기 계단 구조의 제1층간절연막 상부에 워드라인용 도전막을 증착하는 단계와; 상기 워드라인용 도전막 상부에 제2층간절연막을 증착한 뒤, 상기 제2층간절연막을 식각하여 상기 워드라인용 도전막의 측벽에 상기 제2층간절연막을 형성하는 단계와; 상기 제2층간절연막이 형성되어 있는 반도체 기판 상부에 제3층간절연막을 증착한 뒤, 상기 제3층간절연막을 식각하여 상기 제2층간절연막의 측벽에 상기 제3층간절연막을 형성하는 단계와; 상기 제3층간절연막이 형성되어 있는 반도체 기판 상부에 제4층간절연막을 증착한 뒤, 상기 제4층간절연막에서 워드라인용 도전막에 이르도록 식각 공정을 실시하여 상기 워드라인용 도전막을 개별 워드라인으로 분리하는 단계와; 상기 개별 워드라인이 형성되어 있는 반도체 기판 상부에 제5층간절연막을 증착하여 상기 개별 워드라인 사이에 존재하는 홈을 갭필하는 단계와; 상기 제5층간절연막이 증착되어 있는 반도체 기판에 대하여 식각 공정을 실시하여 상기 제3층간절연막의 윗면을 노출시킨 뒤, 상기 노출된 제3층간절연막을 제거하는 단계와; 상기 제3층간절연막이 제거된 홀에 데이터 저장물질을 형성하는 단계와; 상기 데이터 저장물질 상부에 비트라인을 형성하는 단계를 포함한다. In the manufacturing method of the stepped semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention, the step of depositing a first interlayer insulating film on the semiconductor substrate, and repeating the etching process on the first interlayer insulating film to form a step structure Wow; Depositing a conductive film for a word line on the first interlayer insulating film of the staircase structure; Depositing a second interlayer insulating film on the word line conductive film, and etching the second interlayer insulating film to form the second interlayer insulating film on sidewalls of the word line conductive film; Depositing a third interlayer dielectric layer on the semiconductor substrate on which the second interlayer dielectric layer is formed, and etching the third interlayer dielectric layer to form the third interlayer dielectric layer on sidewalls of the second interlayer dielectric layer; After depositing a fourth interlayer dielectric layer on the semiconductor substrate on which the third interlayer dielectric layer is formed, an etching process is performed from the fourth interlayer dielectric layer to the word line conductive layer to separate the word line conductive layers into individual word lines. Separating into; Depositing a fifth interlayer dielectric layer on the semiconductor substrate on which the individual word lines are formed, thereby gap filling the grooves between the individual word lines; Performing an etching process on the semiconductor substrate on which the fifth interlayer insulating film is deposited to expose an upper surface of the third interlayer insulating film, and then removing the exposed third interlayer insulating film; Forming a data storage material in the hole from which the third interlayer insulating film is removed; Forming a bit line on the data storage material.

본 발명에 의하면, 반도체 기판 상부에 슬리밍 공정을 통하여 계단형의 절연막을 형성한 뒤, 수회의 물질막(도전막, 절연막) 증착 공정 및 스페이서 식각 공정을 실시하여 상기 계단형의 절연막 측벽에 다수개의 메모리 셀을 형성한다. According to the present invention, a stepped insulating film is formed on a semiconductor substrate through a slimming process, and then a plurality of material film (conductive film, insulating film) deposition processes and a spacer etching process are performed to form a plurality of sidewalls of the stepped insulating film. Form a memory cell.

이처럼, 본 발명에서는 물질막을 패터닝함에 있어서, 스페이서 식각 공정을 주로 사용하고, 물질 패턴을 위한 타 공정에 비해 상대적으로 비용 손실이 많은 포토리소그라피 공정 횟수를 최소화함으로써 수율을 증대시키고 제조비용을 절감할 수 있게 된다. As described above, in the present invention, when the material film is patterned, the spacer etching process is mainly used, and the yield can be increased and the manufacturing cost can be reduced by minimizing the number of photolithography processes, which are relatively costly compared with other processes for the material pattern. Will be.

또한, 다수개의 메모리 셀들이 계단 구조를 이루고 있어 고집적에 한층 더 유리하다. In addition, a plurality of memory cells have a step structure, which is more advantageous for high integration.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 계단형의 반도체 메모리 소자를 나타낸다.
도 2a 내지 도 2n은 본 발명의 제1실시예에 따른 계단형 반도체 메모리 소자의 제조과정을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 계단형의 반도체 메모리 소자를 나타낸다.
도 4a 내지 도 4n은 본 발명의 제2실시예에 따른 계단형 반도체 메모리 소자의 제조과정을 나타낸다.
1 shows a stepped semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention.
2A to 2N illustrate a manufacturing process of a stepped semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention.
3 shows a stepped semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention.
4A to 4N illustrate a manufacturing process of a stepped semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention.

이하, 하기의 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 계단형의 반도체 메모리 소자 및 그 제조방법에 대해 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, a stepped semiconductor memory device and a method of manufacturing the same according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1에는 본 발명의 제1실시예에 따른 계단형의 반도체 메모리 소자가 도시되어 있다.1 shows a stepped semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 반도체 기판(100) 상부에 슬리밍 공정을 통하여 형성된 계단형의 절연막(102)이 도시되어 있다. 그리고, 상기 계단형의 절연막(102) 측부에 다수개의 메모리 셀(120)들이 형성되어 있다. 그리고, 상기 메모리 셀(120)의 하부 및 상부에는 각각 워드라인(106a) 및 비트라인(122a)이 서로 교차 연결되어 있다. Referring to FIG. 1, a stepped insulating film 102 formed through a slimming process on the semiconductor substrate 100 is illustrated. In addition, a plurality of memory cells 120 are formed at the side of the stepped insulating layer 102. The word line 106a and the bit line 122a are cross-connected to the lower and upper portions of the memory cell 120, respectively.

본 발명에서는 상기 메모리 셀(120)을 형성함에 있어서, 수회의 물질막(도전막, 절연막) 증착 공정 및 스페이서 식각 공정을 실시하고, 물질 패턴을 위한 타 공정에 비해 상대적으로 비용 손실이 많은 포토리소그라피 공정 횟수를 최소화함으로써 제조비용을 절감할 수 있게 된다.In the present invention, in forming the memory cell 120, a plurality of material film (conductive film, insulating film) deposition processes and spacer etching processes are performed, and photolithography, which has a relatively high cost loss compared to other processes for material patterns. By minimizing the number of processes, manufacturing costs can be reduced.

그러면, 하기의 도면을 참조하여 상기 메모리 셀(120)의 제조과정을 보다 구체적으로 살펴보기로 하자. Next, a manufacturing process of the memory cell 120 will be described in more detail with reference to the following drawings.

도 2a 내지 도 2n에는 본 발명의 제1실시예에 따른 계단형 반도체 메모리 소자의 제조과정이 순차적으로 도시되어 있다. 이때, 설명의 편의를 위하여 상기 도 1에 도시되어 있는 반도체 메모리 소자의 좌측 "A" 영역에 대해서만 언급하기로 한다. 2A through 2N sequentially illustrate a step of manufacturing a stepped semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention. In this case, for convenience of description, only the left "A" region of the semiconductor memory device illustrated in FIG. 1 will be referred to.

도 2a를 참조하면, 반도체 기판(100) 상부에 제1층간절연막(102)을 증착한다. 그리고 나서, 통상의 슬리밍(slimming) 공정을 실시하여 상기 제1층간절연막(102)을 계단 구조로 형성한다. Referring to FIG. 2A, a first interlayer insulating film 102 is deposited on the semiconductor substrate 100. Then, a normal slimming process is performed to form the first interlayer insulating film 102 in a stepped structure.

도 2a에 도시된 것과 같이, 상기 계단 구조의 제1층간절연막(102)에는 슬리밍 공정 횟수만큼 다수개의 측벽(104)이 존재하게 된다. 본 발명에서는 수회의 물질막 증착 공정 및 스페이서 식각 공정을 통해 상기 측벽(104)에 다수개의 메모리 셀을 형성하게 된다. As shown in FIG. 2A, a plurality of sidewalls 104 exist in the first interlayer insulating film 102 of the staircase structure as many times as a slimming process. In the present invention, a plurality of memory cells are formed on the sidewalls 104 through a plurality of material film deposition processes and a spacer etching process.

도 2b를 참조하면, 상기 제1층간절연막(102) 상부에 워드라인용 도전막(106)을 증착한다.Referring to FIG. 2B, a word line conductive layer 106 is deposited on the first interlayer insulating layer 102.

이때, 상기 워드라인용 도전막(106)으로서는 예컨대, 금속, 합금, 금속 산화질화물 또는 도전성 탄소화합물등이 이용될 수 있다. 보다 구체적으로는, W, Cu, TiN, TaN, WN, MoN, NbN, TiSiN, TiAlN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoSiN, MoAlN, TaSiN, TaAlN, Ti, Mo, Ta, TiSi, TaSi, TiW, TiON, TiAlON, WON, TaON등이 이용될 수 있다. In this case, as the conductive film 106 for the word line, for example, a metal, an alloy, a metal oxynitride, or a conductive carbon compound may be used. More specifically, W, Cu, TiN, TaN, WN, MoN, NbN, TiSiN, TiAlN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoSiN, MoAlN, TaSiN, TaAlN, Ti, Mo, Ta, TiSi, TaSi , TiW, TiON, TiAlON, WON, TaON and the like can be used.

도 2c를 참조하면, 상기 워드라인용 도전막(106) 상부에 제2층간절연막(108)을 증착한다.Referring to FIG. 2C, a second interlayer insulating layer 108 is deposited on the word line conductive layer 106.

도 2d를 참조하면, 상기 제2층간절연막(108)에 대하여 제1차 스페이서 식각 공정을 실시한다. 그 결과, 상기 제2층간절연막(108)이 상기 워드라인용 도전막(106)의 측벽과 일부 상부에만 존재하게 된다. 보다 구체적으로, 상기 워드라인용 도전막(106)의 제1단부터 제4단(106-1, 106-2, 106-3, 106-4)의 측벽, 제5단(106-5)의 측벽 및 일부 상부에 상기 제2층간절연막(108)이 존재하게 된다.Referring to FIG. 2D, a first spacer etching process is performed on the second interlayer insulating film 108. As a result, the second interlayer insulating film 108 is present only on the sidewalls and a part of the upper portion of the conductive film 106 for the word line. More specifically, the first end to the fourth end (106-1, 106-2, 106-3, 106-4) and the fifth end (106-5) of the conductive film for the word line 106 The second interlayer insulating film 108 is present on the sidewalls and a part of the upper portion.

도 2e를 참조하면, 상기 결과물의 상부에 제3층간절연막(110)을 증착한다. 이때, 상기 제3층간절연막(110)은 상기 제2층간절연막(108)과는 서로 다른 종류의 절연물질로 증착하는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 2E, a third interlayer insulating film 110 is deposited on the resultant. In this case, the third interlayer insulating film 110 may be deposited using a different type of insulating material from the second interlayer insulating film 108.

도 2f를 참조하면, 상기 제3층간절연막(110)에 대하여 제2차 스페이서 식각 공정을 실시한다. 그 결과, 상기 제3층간절연막(110)이 상기 제2층간절연막의 측벽에만 존재하게 된다. 보다 구체적으로, 상기 제2층간절연막(108)의 제1단 부터 제6단(108-1, 108-2, 108-3, 108-4, 108-5, 108-6)의 측벽에만 존재하게 된다. Referring to FIG. 2F, a second spacer etching process is performed on the third interlayer insulating film 110. As a result, the third interlayer insulating film 110 is present only on the sidewalls of the second interlayer insulating film. More specifically, only the first end to the sixth end 108-1, 108-2, 108-3, 108-4, 108-5, 108-6 of the second interlayer insulating film 108 do.

이때, 상기 제3층간절연막(110)을 스페이서 식각하는 과정에서 상기 제2층간절연막(108)이 함께 제거되지 않도록 하여야 한다. 그러기 위해서는 이미 언급한 바와 같이, 상기 제3층간절연막(110)과 제2층간절연막(108)은 서로 다른 종류의 절연물질로 증착하는 것이 바람직할 뿐만 아니라, 상기 제2층간절연막(108)에 대하여 우수한 식각선택비를 가지는 에천트(etchant)를 이용하여 상기 제3층간절연막(110)에 대하여 스페이서 식각 공정을 실시하는 것이 바람직하다. In this case, the second interlayer dielectric layer 108 should not be removed together during the spacer etching of the third interlayer dielectric layer 110. To this end, as already mentioned, the third interlayer insulating film 110 and the second interlayer insulating film 108 are preferably deposited with different kinds of insulating materials, and the second interlayer insulating film 108 It is preferable to perform a spacer etching process on the third interlayer insulating film 110 using an etchant having an excellent etching selectivity.

도 2g를 참조하면, 상기 결과물의 상부에 제4층간절연막(112)을 증착한다. 이때, 상기 제4층간절연막(112)은 상기 제2층간절연막(108)과 동일한 절연물질 또는 이와는 서로 다른 절연물질로 증착할 수 있다.Referring to FIG. 2G, a fourth interlayer insulating layer 112 is deposited on the resultant. In this case, the fourth interlayer insulating film 112 may be deposited using the same insulating material or a different insulating material from that of the second interlayer insulating film 108.

도 2h를 참조하면, 상기 제4층간절연막(112)에서 워드라인용 도전막(106)에 이르도록 포토리소그라피 공정을 실시한다. 그 결과, 상기 제4층간절연막(112)에서 워드라인용 도전막(106)에 이르는 일정간격의 홈(114)이 형성되어 상기 워드라인용 도전막(106)이 각각의 개별 워드라인(106a)으로 분리된다.Referring to FIG. 2H, a photolithography process is performed to reach from the fourth interlayer insulating film 112 to the conductive film for word lines 106. As a result, grooves 114 having a predetermined interval from the fourth interlayer insulating film 112 to the word line conductive film 106 are formed so that the word line conductive film 106 is formed on each individual word line 106a. Separated by.

도 2i를 참조하면, 상기 개별 워드라인(106a)이 형성되어 있는 반도체 기판(100) 상부에 제5층간절연막(116)을 증착하여 상기 개별 워드라인(106a) 사이에 존재하는 홈(114)을 갭필한다. 이때, 상기 제5층간절연막(116)은 앞서 사용되었던 층간절연막(102, 108, 110, 112)들과 동일한 절연물질 또는 이들과는 서로 다른 절연물질로 증착할 수 있다.Referring to FIG. 2I, a fifth interlayer insulating layer 116 is deposited on the semiconductor substrate 100 on which the individual word lines 106a are formed to form grooves 114 between the individual word lines 106a. Gap fill. In this case, the fifth interlayer insulating layer 116 may be deposited using the same insulating material or different insulating materials from those of the interlayer insulating layers 102, 108, 110, and 112 previously used.

도 2j를 참조하면, 상기 제5층간절연막(116)이 증착되어 있는 반도체 기판(100)에 대하여 제3차 스페이서 식각 공정을 실시한다. 그 결과, 상기 제2층간절연막(108) 및 제3층간절연막(110)의 윗면이 노출된다. 또는, 상기 스페이서 식각 공정 이외에 통상의 슬리밍 공정을 실시하여 상기 제2층간절연막(108) 및 제3층간절연막(110)의 윗면을 노출시킬 수도 있다.Referring to FIG. 2J, a third spacer etching process is performed on the semiconductor substrate 100 on which the fifth interlayer insulating layer 116 is deposited. As a result, the top surfaces of the second interlayer insulating film 108 and the third interlayer insulating film 110 are exposed. Alternatively, a normal slimming process may be performed in addition to the spacer etching process to expose the top surfaces of the second interlayer insulating film 108 and the third interlayer insulating film 110.

상기 스페이서 식각 공정 결과, 상기 제3층간절연막(110)은 일정 간격으로 분리되어 있으며, 주변의 다른 층간절연막들에 의해 둘러싸여 다수개의 섬 형태를 이루고 있다.As a result of the spacer etching process, the third interlayer insulating layer 110 is separated at a predetermined interval and is surrounded by other interlayer insulating layers to form a plurality of islands.

도 2k를 참조하면, 상기 섬 형태의 제3층간절연막(110)에 대하여 딥아웃(dipout) 공정을 실시한다. 그 결과, 상기 제3층간절연막(110)이 제거된 영역에는 홀(118)이 형성된다.Referring to FIG. 2K, a dipout process is performed on the island-type third interlayer insulating film 110. As a result, a hole 118 is formed in the region where the third interlayer insulating film 110 is removed.

도 2l을 참조하면, 상기 홀(118)이 형성되어 있는 반도체 기판(100)에 데이터 저장물질(120)을 증착한다. 이때, 상기 홀(118) 내부에 데이터 저장물질(120)이 완전히 매립될 수 있도록 충분한 두께로 데이터 저장물질(120)을 증착한다. 그리고 나서, 상기 데이터 저장물질(120)이 형성된 반도체 기판(100)에 대하여 에치백 공정을 실시하여 상기 홀(118) 내부에만 데이터 저장물질(120)이 남겨지도록 한다. Referring to FIG. 2L, the data storage material 120 is deposited on the semiconductor substrate 100 on which the holes 118 are formed. In this case, the data storage material 120 is deposited to a thickness sufficient to completely fill the data storage material 120 in the hole 118. Then, an etch back process is performed on the semiconductor substrate 100 on which the data storage material 120 is formed so that the data storage material 120 remains only inside the hole 118.

이때, 상기 홀(118)에 매립되는 상기 데이터 저장물질의 종류에 따라 PCRAM, RRAM, STT-RAM, PoRAM등을 형성할 수 있게 된다. In this case, the PCRAM, the RRAM, the STT-RAM, the PoRAM, etc. may be formed according to the type of the data storage material buried in the hole 118.

예컨대, PCRAM을 형성하고자 하는 경우, 상기 홀(118) 내부에 다이오드와 데이터 저장물질을 차례로 증착한다. For example, when forming a PCRAM, a diode and a data storage material are sequentially deposited in the hole 118.

상기 다이오드는 셀을 선택하기 위한 스위칭 소자로서, Si, SiGe, Ge, GaAs등으로 형성하거나, PN 다이오드 또는 쇼트키 다이오드로도 형성할 수 있다.The diode is a switching element for selecting a cell, and may be formed of Si, SiGe, Ge, GaAs, or the like, or may be formed of a PN diode or a Schottky diode.

그리고, 상기 데이터 저장물질로서, Te, Se, Ge, 이들의 혼합물 및 이들의 합금으로 구성되는 군에서 선택되는 물질로 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 데이터 저장물질로서, Te, Se, Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, As, S, Si, P, O, N 및 이들의 혼합물 또는 합금으로 형성할 수 있다. 그리고, 상기 데이터 저장물질 매립시, 단면적을 감소시키기 위하여 홀(118)의 내부 측벽에 스페이서(미도시)를 더 형성할 수도 있다.The data storage material may be formed of a material selected from the group consisting of Te, Se, Ge, mixtures thereof, and alloys thereof. More specifically, the data storage material may be formed of Te, Se, Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, As, S, Si, P, O, N, and mixtures or alloys thereof. When the data storage material is embedded, a spacer (not shown) may be further formed on the inner sidewall of the hole 118 to reduce the cross-sectional area.

그리고, 상기 다이오드 상부에 히터(미도시)를 더 형성할 수도 있는데, 이러한 히터로서는 상기 워드라인(106a) 형성에 사용된 물질인 합금, 금속 산화질화물 또는 도전성 탄소화합물등으로 형성할 수 있다. 보다 구체적으로 W, Cu, TiN, TaN, WN, MoN, NbN, TiSiN, TiAlN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoSiN, MoAlN, TaSiN, TaAlN, Ti, Mo, Ta, TiSi, TaSi, TiW, TiON, TiAlON, WON, TaON등으로 형성할 수 있다. 또는 MIEC(Mixed Ionic Electronic Conductor), OTS(Ovonix Threshold Switch) 특성을 가지는 물질로도 형성할 수도 있다.In addition, a heater (not shown) may be further formed on the diode, and the heater may be formed of an alloy, a metal oxynitride, a conductive carbon compound, or the like, which is a material used to form the word line 106a. More specifically, W, Cu, TiN, TaN, WN, MoN, NbN, TiSiN, TiAlN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoSiN, MoAlN, TaSiN, TaAlN, Ti, Mo, Ta, TiSi, TaSi, TiW , TiON, TiAlON, WON, TaON and the like. Alternatively, the present invention may be formed of a material having mixed ionic electronic conductor (MIEC) and ovix threshold switch (OTS) characteristics.

그리고, 상기 스위칭 소자인 다이오드와 히터의 계면간 접촉 저항을 감소시키기 위하여 오믹층(미도시)을 더 형성할 수 있다. 이때, 상기 오믹층은 예컨대 실리사이드로 형성될 수 있다.In addition, an ohmic layer (not shown) may be further formed to reduce contact resistance between the diode, which is the switching element, and the interface of the heater. In this case, the ohmic layer may be formed of silicide, for example.

도 2m을 참조하면, 상기 데이터 저장물질(120)이 형성되어 있는 반도체 기판(100) 상부에 비트라인용 도전막(122)을 증착한다. 이때, 상기 비트라인용 도전막(122)으로서는 예컨대, 금속, 합금, 금속 산화질화물 또는 도전성 탄소화합물등이 이용될 수 있다. 보다 구체적으로는, W, Cu, TiN, TaN, WN, MoN, NbN, TiSiN, TiAlN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoSiN, MoAlN, TaSiN, TaAlN, Ti, Mo, Ta, TiSi, TaSi, TiW, TiON, TiAlON, WON, TaON등이 이용될 수 있다. Referring to FIG. 2M, a bit line conductive layer 122 is deposited on the semiconductor substrate 100 on which the data storage material 120 is formed. In this case, as the bit line conductive film 122, for example, a metal, an alloy, a metal oxynitride, or a conductive carbon compound may be used. More specifically, W, Cu, TiN, TaN, WN, MoN, NbN, TiSiN, TiAlN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoSiN, MoAlN, TaSiN, TaAlN, Ti, Mo, Ta, TiSi, TaSi , TiW, TiON, TiAlON, WON, TaON and the like can be used.

도 2n을 참조하면, 상기 비트라인용 도전막(122)에 대하여 제4차 스페이서 식각 공정을 실시한다. 그 결과, 상기 데이터 저장물질(120) 상부에만 비트라인용 도전막이 남아 각각의 개별 비트라인(122a)을 형성하게 된다. 그리고, 이처럼 개별 분리된 비트라인(122a)은 하부의 워드라인(106a)과 서로 교차 연결되어 셀을 선택 구동시키게 된다.Referring to FIG. 2N, a fourth spacer etching process may be performed on the bit line conductive layer 122. As a result, a bit line conductive layer remains on only the data storage material 120 to form each individual bit line 122a. In addition, the separated bit lines 122a are cross-connected with the lower word lines 106a to selectively drive the cells.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 반도체 기판 상부에 슬리밍 공정을 통하여 계단형의 절연막을 형성한 뒤, 수회의 물질막(도전막, 절연막) 증착 공정 및 스페이서 식각 공정을 실시하여 상기 계단형의 절연막 측벽에 다수개의 메모리 셀을 형성한다.As described above, in the present invention, a stepped insulating film is formed on the semiconductor substrate through a slimming process, and then a plurality of material film (conductive film, insulating film) deposition processes and a spacer etching process are performed. Form a plurality of memory cells in the.

구체적으로 살펴보면, 상기 도 2a 내지 도 2n에 도시되어 있는 반도체 메모리 소자의 제조과정, 즉 하부의 워드라인에서 상부의 비트라인을 형성하는 과정에서 포토리소그라피 공정은 워드라인용 도전막을 개별 워드라인으로 분리시키는 과정(도 2g → 2h)에서 1번 적용되었다. Specifically, in the process of manufacturing the semiconductor memory device illustrated in FIGS. 2A through 2N, that is, in the process of forming the upper bit line from the lower word line, the photolithography process separates the conductive film for the word line into individual word lines. It was applied once in the process (Fig. 2g → 2h).

이처럼, 본 발명에서는 물질막을 패터닝함에 있어서, 스페이서 식각 공정을 주로 사용하는 반면, 패턴 형성을 위한 타 식각공정에 비해 공정이 복잡하고 난이도가 높아 상대적으로 비용손실이 많은 포토리소그라피 공정 횟수를 최소화함으로써 수율을 증대시키고 제조비용을 절감할 수 있게 된다. 또한, 다수개의 메모리 셀들이 계단 구조를 이루고 있어 고집적에 한층 더 유리한 장점을 가진다. As described above, the present invention mainly uses a spacer etching process in patterning a material film, while minimizing the number of photolithography processes, which are relatively costly and have high cost, compared to other etching processes for pattern formation. It is possible to increase the cost and reduce the manufacturing cost. In addition, since a plurality of memory cells have a step structure, it is more advantageous for high integration.

한편, 도 3에는 본 발명의 제2실시예에 따른 계단형의 반도체 메모리 소자가 도시되어 있다.3 shows a stepped semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 반도체 기판(200) 상부에 슬리밍 공정을 통하여 형성된 계단형의 절연막(202)이 도시되어 있다. 그리고, 상기 계단형의 절연막(202) 측부에 다수개의 메모리 셀(220)들이 형성되어 있다. 그리고, 상기 메모리 셀(220)의 하부 및 상부에는 각각 워드라인(206a) 및 비트라인(222a)이 서로 교차 연결되어 있다. Referring to FIG. 3, a stepped insulating film 202 is formed on the semiconductor substrate 200 through a slimming process. In addition, a plurality of memory cells 220 are formed at the side of the stepped insulating layer 202. The word line 206a and the bit line 222a are cross-connected to the lower and upper portions of the memory cell 220, respectively.

상기 메모리 셀(220)을 상기 도 1의 메모리 셀(120)과 비교해 보면, 상기 도 1의 메모리 셀(120)은 데이터 저장물질이 홀(118) 내부에만 형성되어 있는데 비하여, 도 3의 메모리 셀(220)은 데이터 저장물질이 홀(하기 도 4k의 "218") 내부 및 그 상부에 일정 두께 남겨진 형태이다.Comparing the memory cell 220 with the memory cell 120 of FIG. 1, the memory cell 120 of FIG. 1 has a data storage material formed only inside the hole 118, whereas the memory cell of FIG. 220 is a form in which the data storage material remains a certain thickness inside and above the hole (“218” in FIG. 4K).

본 발명에서는 상기 메모리 셀(220)을 형성함에 있어서, 수회의 물질막(도전막, 절연막) 증착 공정 및 스페이서 식각 공정을 실시하고, 물질 패턴을 위한 타 공정에 비해 상대적으로 비용 손실이 많은 포토리소그라피 공정 횟수를 최소화함으로써 제조비용을 절감할 수 있게 된다.In the present invention, in forming the memory cell 220, a plurality of material film (conductive film, insulating film) deposition processes and spacer etching processes are performed, and photolithography, which has a relatively high cost loss compared to other processes for material patterns. By minimizing the number of processes, manufacturing costs can be reduced.

그러면, 하기의 도면을 참조하여 상기 메모리 셀(220)의 제조과정을 보다 구체적으로 살펴보기로 하자. Next, a manufacturing process of the memory cell 220 will be described in more detail with reference to the following drawings.

도 4a 내지 도 4n에는 본 발명의 제2실시예에 따른 계단형 반도체 메모리 소자의 제조과정이 순차적으로 도시되어 있다. 이때, 설명의 편의를 위하여 상기 도 1에 도시되어 있는 반도체 메모리 소자의 좌측 "B" 영역에 대해서만 언급하기로 한다. 그리고, 도 4a 내지 도 4k까지는 상기 제1실시예에 따른 반도체 메모리 소자의 제조과정과 동일하다. 4A to 4N sequentially illustrate a manufacturing process of the stepped semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention. In this case, for convenience of description, only the left "B" region of the semiconductor memory device illustrated in FIG. 1 will be referred to. 4A through 4K are the same as the manufacturing process of the semiconductor memory device according to the first embodiment.

도 4a를 참조하면, 반도체 기판(200) 상부에 제1층간절연막(202)을 증착한다. 그리고 나서, 통상의 슬리밍 공정을 실시하여 상기 제1층간절연막(202)을 계단 구조로 형성한다. Referring to FIG. 4A, a first interlayer insulating film 202 is deposited on the semiconductor substrate 200. Then, a normal slimming process is performed to form the first interlayer insulating film 202 in a staircase structure.

도 4a에 도시된 것과 같이, 상기 계단 구조의 제1층간절연막(202)에는 슬리밍 공정 횟수만큼 다수개의 측벽(204)이 존재하게 된다. 본 발명에서는 수회의 물질막 증착 공정 및 스페이서 식각 공정을 통해 상기 측벽(204)에 다수개의 메모리 셀을 형성하게 된다. As shown in FIG. 4A, a plurality of sidewalls 204 are present in the first interlayer insulating film 202 of the staircase structure for the number of slimming processes. In the present invention, a plurality of memory cells may be formed on the sidewall 204 through a plurality of material film deposition processes and a spacer etching process.

도 4b를 참조하면, 상기 제1층간절연막(202) 상부에 워드라인용 도전막(206)을 증착한다.Referring to FIG. 4B, a word line conductive film 206 is deposited on the first interlayer insulating film 202.

이때, 상기 워드라인용 도전막(206)으로서는 예컨대, 금속, 합금, 금속 산화질화물 또는 도전성 탄소화합물등이 이용될 수 있다. 보다 구체적으로는, W, Cu, TiN, TaN, WN, MoN, NbN, TiSiN, TiAlN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoSiN, MoAlN, TaSiN, TaAlN, Ti, Mo, Ta, TiSi, TaSi, TiW, TiON, TiAlON, WON, TaON등이 이용될 수 있다. In this case, as the conductive film 206 for the word line, for example, a metal, an alloy, a metal oxynitride, or a conductive carbon compound may be used. More specifically, W, Cu, TiN, TaN, WN, MoN, NbN, TiSiN, TiAlN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoSiN, MoAlN, TaSiN, TaAlN, Ti, Mo, Ta, TiSi, TaSi , TiW, TiON, TiAlON, WON, TaON and the like can be used.

도 4c를 참조하면, 상기 워드라인용 도전막(206) 상부에 제2층간절연막(208)을 증착한다.Referring to FIG. 4C, a second interlayer insulating film 208 is deposited on the word line conductive film 206.

도 4d를 참조하면, 상기 제2층간절연막(208)에 대하여 제1차 스페이서 식각 공정을 실시한다. 그 결과, 상기 제2층간절연막(208)이 상기 워드라인용 도전막(206)의 측벽과 일부 상부에만 존재하게 된다. 보다 구체적으로, 상기 워드라인용 도전막(206)의 제1단부터 제4단(206-1, 206-2, 206-3, 206-4)의 측벽, 제5단(206-5)의 측벽 및 일부 상부에 상기 제2층간절연막(208)이 존재하게 된다.Referring to FIG. 4D, a first spacer etching process is performed on the second interlayer insulating film 208. As a result, the second interlayer insulating film 208 is present only on the sidewalls of the word line conductive film 206 and a part of the upper portion. More specifically, the first end to the fourth end (206-1, 206-2, 206-3, 206-4) of the word line conductive film 206 of the sidewall, the fifth end (206-5) The second interlayer insulating layer 208 is present on the sidewalls and a part of the upper portion.

도 4e를 참조하면, 상기 결과물의 상부에 제3층간절연막(210)을 증착한다. 이때, 상기 제3층간절연막(210)은 상기 제2층간절연막(208)과는 서로 다른 종류의 절연물질로 증착하는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 4E, a third interlayer insulating layer 210 is deposited on the resultant. In this case, the third interlayer insulating film 210 may be deposited using a different type of insulating material from the second interlayer insulating film 208.

도 4f를 참조하면, 상기 제3층간절연막(210)에 대하여 제2차 스페이서 식각 공정을 실시한다. 그 결과, 상기 제3층간절연막(210)이 상기 제2층간절연막의 측벽에만 존재하게 된다. 보다 구체적으로, 상기 제2층간절연막(208)의 제1단 부터 제6단(208-1, 208-2, 208-3, 208-4, 208-5, 208-6)의 측벽에만 존재하게 된다. Referring to FIG. 4F, a second spacer etching process is performed on the third interlayer insulating film 210. As a result, the third interlayer insulating film 210 is present only on sidewalls of the second interlayer insulating film. More specifically, the second interlayer insulating film 208 is present only on the sidewalls of the first to sixth ends 208-1, 208-2, 208-3, 208-4, 208-5, and 208-6. do.

이때, 상기 제3층간절연막(210)을 스페이서 식각하는 과정에서 상기 제2층간절연막(208)이 함께 제거되지 않도록 하여야 한다. 그러기 위해서는 이미 언급한 바와 같이, 상기 제3층간절연막(210)과 제2층간절연막(208)은 서로 다른 종류의 절연물질로 증착하는 것이 바람직할 뿐만 아니라, 상기 제2층간절연막(208)에 대하여 우수한 식각선택비를 가지는 에천트(etchant)를 이용하여 상기 제3층간절연막(210)에 대하여 스페이서 식각 공정을 실시하는 것이 바람직하다. In this case, the second interlayer dielectric layer 208 should not be removed together during the spacer etching of the third interlayer dielectric layer 210. To this end, as already mentioned, the third interlayer insulating film 210 and the second interlayer insulating film 208 are preferably deposited with different kinds of insulating materials, and the second interlayer insulating film 208 It is preferable to perform a spacer etching process on the third interlayer insulating film 210 by using an etchant having an excellent etching selectivity.

도 4g를 참조하면, 상기 결과물의 상부에 제4층간절연막(212)을 증착한다. 이때, 상기 제4층간절연막(212)은 상기 제2층간절연막(208)과 동일한 절연물질 또는 이와는 서로 다른 절연물질로 증착할 수 있다.Referring to FIG. 4G, a fourth interlayer insulating film 212 is deposited on the resultant. In this case, the fourth interlayer insulating film 212 may be deposited using the same insulating material or a different insulating material from that of the second interlayer insulating film 208.

도 4h를 참조하면, 상기 제4층간절연막(212)에서 워드라인용 도전막(206)에 이르도록 포토리소그라피 공정을 실시한다. 그 결과, 상기 제4층간절연막(212)에서 워드라인용 도전막(206)에 이르는 일정간격의 홈(214)이 형성되어 상기 워드라인용 도전막(206)이 각각의 개별 워드라인(206a)으로 분리된다.Referring to FIG. 4H, a photolithography process is performed from the fourth interlayer insulating film 212 to the word line conductive film 206. As a result, grooves 214 having a predetermined interval from the fourth interlayer insulating film 212 to the word line conductive film 206 are formed so that the word line conductive film 206 is formed on each individual word line 206a. Separated by.

도 4i를 참조하면, 상기 개별 워드라인(206a)이 형성되어 있는 상기 반도체 기판(200) 상부에 제5층간절연막(216)을 증착하여 상기 개별 워드라인(206a) 사이에 존재하는 홈(214)을 갭필한다. 이때, 상기 제5층간절연막(216)은 앞서 사용되었던 층간절연막(202, 208, 210, 212)들과 동일한 절연물질 또는 이들과는 서로 다른 절연물질로 증착할 수 있다.Referring to FIG. 4I, a fifth interlayer insulating layer 216 is deposited on the semiconductor substrate 200 on which the individual word lines 206a are formed, and thus grooves 214 are present between the individual word lines 206a. Gap fill In this case, the fifth interlayer insulating film 216 may be deposited using the same insulating material or different insulating materials from those of the interlayer insulating films 202, 208, 210, and 212, which have been previously used.

도 4j를 참조하면, 상기 제5층간절연막(216)이 증착되어 있는 반도체 기판(200)에 대하여 제3차 스페이서 식각 공정을 실시한다. 그 결과, 상기 제2층간절연막(208) 및 제3층간절연막(210)의 윗면이 노출된다. 또는, 상기 스페이서 식각 공정 이외에 통상의 슬리밍 공정을 실시하여 상기 제2층간절연막(208) 및 제3층간절연막(210)의 윗면을 노출시킬 수도 있다.Referring to FIG. 4J, a third spacer etching process is performed on the semiconductor substrate 200 on which the fifth interlayer insulating layer 216 is deposited. As a result, upper surfaces of the second interlayer insulating film 208 and the third interlayer insulating film 210 are exposed. Alternatively, an upper surface of the second interlayer insulating film 208 and the third interlayer insulating film 210 may be exposed by performing a normal slimming process in addition to the spacer etching process.

상기 스페이서 식각 공정 결과, 상기 제3층간절연막(210)은 일정 간격으로 분리되어 있으며, 주변의 다른 층간절연막들에 의해 둘러싸여 다수개의 섬 형태를 이루고 있다.As a result of the spacer etching process, the third interlayer dielectric layer 210 is separated at regular intervals and surrounded by other interlayer dielectric layers to form a plurality of islands.

도 4k를 참조하면, 상기 섬 형태의 제3층간절연막(210)에 대하여 딥아웃(dipout) 공정을 실시한다. 그 결과, 상기 제3층간절연막(210)이 제거된 영역에는 홀(218)이 형성된다.Referring to FIG. 4K, a dipout process is performed on the island-type third interlayer insulating film 210. As a result, a hole 218 is formed in the region where the third interlayer insulating film 210 is removed.

도 4l을 참조하면, 상기 홀(218)이 형성되어 있는 반도체 기판(200)에 데이터 저장물질(220)을 증착한다. 이때, 상기 홀(218) 내부에 데이터 저장물질(220)이 완전히 매립될 수 있도록 충분한 두께로 데이터 저장물질(220)을 증착한다. 그리고 나서, 상기 데이터 저장물질(220)이 형성된 반도체 기판(200)에 대하여 포토리소그라피 공정을 실시하여 상기 홀(218)의 내부 및 상기 홀(218)이 나란히 형성되어 있는 방향으로 소정 두께의 데이터 저장물질(220)이 남겨지도록 한다. Referring to FIG. 4L, the data storage material 220 is deposited on the semiconductor substrate 200 on which the hole 218 is formed. In this case, the data storage material 220 is deposited to a thickness sufficient to completely fill the data storage material 220 in the hole 218. Then, a photolithography process is performed on the semiconductor substrate 200 on which the data storage material 220 is formed to store data having a predetermined thickness in the direction in which the inside of the hole 218 and the hole 218 are formed side by side. Allow material 220 to remain.

상기 도 2l에 도시되어 있는 제1실시예에서의 데이터 저장물질(120)과 제2실시예에서의 데이터 저장물질(220)의 형태를 비교해 보면 다음과 같은 차이점이 있다. When comparing the shapes of the data storage material 120 and the data storage material 220 according to the second embodiment shown in FIG. 2L, the following differences exist.

상기 제1실시예에서는 데이터 저장물질(120)이 홀(118) 내부에만 형성되어 있어 주위의 절연막과 수평을 이루고 있는데 비하여, 제2실시예에서는 홀(218)의 내부에 형성되어 있음은 물론 상기 홀(218)이 나란히 형성되어 있는 방향으로 소정 두께의 데이터 저장물질(220)이 형성되어 주위의 절연막에 비해 돌출되어 있다. 이처럼 도출 형성된 영역(참조부호 "C")으로 인하여 상기 제1실시예의 데이터 저장물질(120)에 비해 비트라인(후속의 공정을 통해 형성됨)과의 전기적 연결이 보다 용이해질 수 있다. In the first embodiment, the data storage material 120 is formed only inside the hole 118, so that the data storage material 120 is horizontal to the surrounding insulating film. In the second embodiment, the data storage material 120 is formed inside the hole 218. The data storage material 220 having a predetermined thickness is formed in the direction in which the holes 218 are formed side by side, and protrude from the surrounding insulating film. This derived area (reference numeral "C") may facilitate electrical connection with the bit line (formed through a subsequent process) as compared with the data storage material 120 of the first embodiment.

이때, 상기 홀(218)에 매립되는 상기 데이터 저장물질의 종류에 따라 PCRAM, RRAM, STT-RAM, PoRAM등을 형성할 수 있게 된다. In this case, the PCRAM, the RRAM, the STT-RAM, and the PoRAM may be formed according to the type of the data storage material buried in the hole 218.

예컨대, PCRAM을 형성하고자 하는 경우, 상기 홀(218) 내부에 다이오드와 데이터 저장물질을 차례로 증착한다. For example, when forming a PCRAM, a diode and a data storage material are sequentially deposited in the hole 218.

상기 다이오드는 셀을 선택하기 위한 스위칭 소자로서, Si, SiGe, Ge, GaAs등으로 형성하거나, PN 다이오드 또는 쇼트키 다이오드로도 형성할 수 있다.The diode is a switching element for selecting a cell, and may be formed of Si, SiGe, Ge, GaAs, or the like, or may be formed of a PN diode or a Schottky diode.

그리고, 상기 데이터 저장물질로서, Te, Se, Ge, 이들의 혼합물 및 이들의 합금으로 구성되는 군에서 선택되는 물질로 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 데이터 저장물질로서, Te, Se, Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, As, S, Si, P, O, N 및 이들의 혼합물 또는 합금으로 형성할 수 있다. 그리고, 상기 데이터 저장물질 매립시, 단면적을 감소시키기 위하여 홀(218)의 내부 측벽에 스페이서(미도시)를 더 형성할 수도 있다.The data storage material may be formed of a material selected from the group consisting of Te, Se, Ge, mixtures thereof, and alloys thereof. More specifically, the data storage material may be formed of Te, Se, Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, As, S, Si, P, O, N, and mixtures or alloys thereof. When the data storage material is embedded, a spacer (not shown) may be further formed on the inner sidewall of the hole 218 to reduce the cross-sectional area.

그리고, 상기 다이오드 상부에 히터(미도시)를 더 형성할 수도 있는데, 이러한 히터로서는 상기 워드라인(206a) 형성에 사용된 물질인 합금, 금속 산화질화물 또는 도전성 탄소화합물등으로 형성할 수 있다. 보다 구체적으로 W, Cu, TiN, TaN, WN, MoN, NbN, TiSiN, TiAlN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoSiN, MoAlN, TaSiN, TaAlN, Ti, Mo, Ta, TiSi, TaSi, TiW, TiON, TiAlON, WON, TaON등으로 형성할 수 있다. 또는 MIEC(Mixed Ionic Electronic Conductor), OTS(Ovonix Threshold Switch) 특성을 가지는 물질로도 형성할 수도 있다.In addition, a heater (not shown) may be further formed on the diode, and the heater may be formed of an alloy, a metal oxynitride, a conductive carbon compound, or the like, which is a material used to form the word line 206a. More specifically, W, Cu, TiN, TaN, WN, MoN, NbN, TiSiN, TiAlN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoSiN, MoAlN, TaSiN, TaAlN, Ti, Mo, Ta, TiSi, TaSi, TiW , TiON, TiAlON, WON, TaON and the like. Alternatively, the present invention may be formed of a material having mixed ionic electronic conductor (MIEC) and ovix threshold switch (OTS) characteristics.

그리고, 상기 스위칭 소자인 다이오드와 히터의 계면간 접촉 저항을 감소시키기 위하여 오믹층(미도시)을 더 형성할 수 있다. 이때, 상기 오믹층은 예컨대 실리사이드로 형성될 수 있다.In addition, an ohmic layer (not shown) may be further formed to reduce contact resistance between the diode, which is the switching element, and the interface of the heater. In this case, the ohmic layer may be formed of silicide, for example.

도 4m을 참조하면, 상기 데이터 저장물질(220)이 형성되어 있는 반도체 기판(200) 상부에 비트라인용 도전막(222)을 증착한다. 이때, 상기 비트라인용 도전막(222)으로서는 예컨대, 금속, 합금, 금속 산화질화물 또는 도전성 탄소화합물등이 이용될 수 있다. 보다 구체적으로는, W, Cu, TiN, TaN, WN, MoN, NbN, TiSiN, TiAlN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoSiN, MoAlN, TaSiN, TaAlN, Ti, Mo, Ta, TiSi, TaSi, TiW, TiON, TiAlON, WON, TaON등이 이용될 수 있다. Referring to FIG. 4M, a bit line conductive layer 222 is deposited on the semiconductor substrate 200 on which the data storage material 220 is formed. In this case, as the bit line conductive film 222, for example, a metal, an alloy, a metal oxynitride, or a conductive carbon compound may be used. More specifically, W, Cu, TiN, TaN, WN, MoN, NbN, TiSiN, TiAlN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoSiN, MoAlN, TaSiN, TaAlN, Ti, Mo, Ta, TiSi, TaSi , TiW, TiON, TiAlON, WON, TaON and the like can be used.

도 4n을 참조하면, 상기 비트라인용 도전막(222)에 대하여 제4차 스페이서 식각 공정을 실시한다. 그 결과, 상기 데이터 저장물질(220) 상부에만 비트라인용 도전막이 남아 각각의 개별 비트라인(222a)을 형성하게 된다. 그리고, 이처럼 개별 분리된 비트라인(222a)은 하부의 워드라인(206a)과 서로 교차 연결되어 셀을 선택 구동시키게 된다.Referring to FIG. 4N, a fourth spacer etching process is performed on the bit line conductive layer 222. As a result, a bit line conductive layer remains on only the data storage material 220 to form each individual bit line 222a. In addition, the discrete bit lines 222a are cross-connected with the lower word lines 206a to selectively drive the cells.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 반도체 기판 상부에 슬리밍 공정을 통하여 계단형의 절연막을 형성한 뒤, 수회의 물질막(도전막, 절연막) 증착 공정 및 스페이서 식각 공정을 실시하여 상기 계단형의 절연막 측벽에 다수개의 메모리 셀을 형성한다.As described above, in the present invention, a stepped insulating film is formed on the semiconductor substrate through a slimming process, and then a plurality of material film (conductive film, insulating film) deposition processes and a spacer etching process are performed. Form a plurality of memory cells in the.

구체적으로 살펴보면, 상기 도 4a 내지 도 4n에 도시되어 있는 반도체 메모리 소자의 제조과정, 즉 하부의 워드라인에서 상부의 비트라인을 형성하는 과정에서 포토리소그라피 공정은 워드라인용 도전막을 개별 워드라인으로 분리시키는 과정(도 4g → 4h)과 홀(218) 내부에 데이터 저장물질(220)을 형성하는 과정(4k → 4l)에서 모두 2번 적용되었다. Specifically, in the process of manufacturing the semiconductor memory device illustrated in FIGS. 4A to 4N, that is, in the process of forming the upper bit line from the lower word line, the photolithography process separates the conductive film for the word line into individual word lines. In the process of forming the data storage material 220 inside the hole 218 (FIG. 4G-> 4H) and in the process (4k-4L), it was applied twice.

이처럼, 본 발명에서는 물질막을 패터닝함에 있어서, 스페이서 식각 공정을 주로 사용하는 반면, 패턴 형성을 위한 타 식각공정에 비해 공정이 복잡하고 난이도가 높아 상대적으로 비용손실이 많은 포토리소그라피 공정 횟수를 최소화함으로써 수율을 증대시키고 제조비용을 절감할 수 있게 된다. 또한, 다수개의 메모리 셀들이 계단 구조를 이루고 있어 고집적에 한층 더 유리한 장점을 가진다. As described above, the present invention mainly uses a spacer etching process in patterning a material film, while minimizing the number of photolithography processes, which are relatively costly and have high cost, compared to other etching processes for pattern formation. It is possible to increase the cost and reduce the manufacturing cost. In addition, since a plurality of memory cells have a step structure, it is more advantageous for high integration.

이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 개략적으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It can be understood that Therefore, the embodiments described above are to be understood in all respects as illustrative and not restrictive.

100,200: 반도체 기판 102,202: 제1층간절연막
104,204: 측벽 106,206: 워드라인용 도전막
106a,206a: 워드라인 108,208: 제2층간절연막
110,210: 제3층간절연막 112,212: 제4층간절연막
114,214: 홈 116,216: 제5층간절연막
118,218: 홀 120,220: 데이터 저장물질
122,222: 비트라인용 도전막 122a,222a: 비트라인
100,200: semiconductor substrate 102,202: first interlayer insulating film
104, 204: side walls 106, 206: conductive film for word lines
106a, 206a: wordline 108,208: second interlayer insulating film
110,210: third interlayer insulating film 112,212: fourth interlayer insulating film
114,214: groove 116,216: fifth interlayer insulating film
118,218: Hall 120,220: data storage material
122, 222: bit line conductive films 122a, 222a: bit line

Claims (18)

반도체 기판 상부에 슬리밍 공정을 통하여 형성된 계단형의 절연막;
상기 계단형의 절연막 측부에 형성되어 있으며, 데이터 저장물질의 최상부 표면이 주위의 다른 물질막과 동일선상에 위치하는 다수개의 메모리 셀;
상기 계단형의 절연막 상에 형성되며, 상기 메모리 셀의 하부에 형성되어 있는 계단형의 워드라인; 및
상기 메모리 셀의 상부에 상기 워드라인과 교차 형성되어 있는 비트라인을 포함하는 계단형의 반도체 메모리 소자.
A stepped insulating film formed on the semiconductor substrate through a slimming process;
A plurality of memory cells formed on the sidewalls of the stepped insulating layer and having the top surface of the data storage material collinear with other surrounding material films;
A stepped word line formed on the stepped insulating layer and formed under the memory cell; And
And a bit line intersecting the word line on the memory cell.
반도체 기판 상부에 슬리밍 공정을 통하여 형성된 계단형의 절연막;
상기 계단형의 절연막 측부에 형성되어 있으며, 데이터 저장물질의 최상부 표면이 주위의 다른 물질막에 비해 보다 높은 다수개의 메모리 셀;
상기 계단형의 절연막 상에 형성되며, 상기 메모리 셀의 하부에 형성되어 있는 계단형의 워드라인; 및
상기 메모리 셀의 상부에 상기 워드라인과 교차 형성되어 있는 비트라인을 포함하는 계단형의 반도체 메모리 소자.
A stepped insulating film formed on the semiconductor substrate through a slimming process;
A plurality of memory cells formed on a side of the stepped insulating layer and having a top surface of the data storage material higher than other material films in the vicinity;
A stepped word line formed on the stepped insulating layer and formed under the memory cell; And
And a bit line intersecting the word line on the memory cell.
반도체 기판 상부에 제1층간절연막을 증착한 뒤, 상기 제1층간절연막에 식각 공정을 반복 실시하여 계단 구조로 형성하는 단계와;
상기 계단 구조의 제1층간절연막 상부에 워드라인용 도전막을 증착하는 단계와;
상기 워드라인용 도전막 상부에 제2층간절연막을 증착한 뒤, 상기 제2층간절연막을 식각하여 상기 워드라인용 도전막의 측벽에 상기 제2층간절연막을 형성하는 단계와;
상기 제2층간절연막이 형성되어 있는 반도체 기판 상부에 제3층간절연막을 증착한 뒤, 상기 제3층간절연막을 식각하여 상기 제2층간절연막의 측벽에 상기 제3층간절연막을 형성하는 단계와;
상기 제3층간절연막이 형성되어 있는 반도체 기판 상부에 제4층간절연막을 증착한 뒤, 상기 제4층간절연막에서 워드라인용 도전막에 이르도록 식각 공정을 실시하여 상기 워드라인용 도전막을 개별 워드라인으로 분리하는 단계와;
상기 개별 워드라인이 형성되어 있는 반도체 기판 상부에 제5층간절연막을 증착하여 상기 개별 워드라인 사이에 존재하는 홈을 갭필하는 단계와;
상기 제5층간절연막이 증착되어 있는 반도체 기판에 대하여 식각 공정을 실시하여 상기 제3층간절연막의 윗면을 노출시킨 뒤, 상기 노출된 제3층간절연막을 제거하는 단계와;
상기 제3층간절연막이 제거된 홀에 데이터 저장물질을 형성하는 단계와;
상기 데이터 저장물질 상부에 비트라인을 형성하는 단계를 포함하는 계단형 반도체 메모리 소자의 제조방법.
Depositing a first interlayer dielectric layer on the semiconductor substrate, and repeating an etching process on the first interlayer dielectric layer to form a stepped structure;
Depositing a conductive film for a word line on the first interlayer insulating film of the staircase structure;
Depositing a second interlayer insulating film on the word line conductive film, and etching the second interlayer insulating film to form the second interlayer insulating film on sidewalls of the word line conductive film;
Depositing a third interlayer dielectric layer on the semiconductor substrate on which the second interlayer dielectric layer is formed, and etching the third interlayer dielectric layer to form the third interlayer dielectric layer on sidewalls of the second interlayer dielectric layer;
After depositing a fourth interlayer dielectric layer on the semiconductor substrate on which the third interlayer dielectric layer is formed, an etching process is performed from the fourth interlayer dielectric layer to the word line conductive layer to separate the word line conductive layers into individual word lines. Separating into;
Depositing a fifth interlayer dielectric layer on the semiconductor substrate on which the individual word lines are formed, thereby gap filling the grooves between the individual word lines;
Performing an etching process on the semiconductor substrate on which the fifth interlayer insulating film is deposited to expose an upper surface of the third interlayer insulating film, and then removing the exposed third interlayer insulating film;
Forming a data storage material in the hole from which the third interlayer insulating film is removed;
Forming a bit line on the data storage material.
제 3항에 있어서, 상기 워드라인용 도전막은 금속, 합금, 금속 산화질화물 또는 도전성 탄소화합물로 형성하는 계단형 반도체 메모리 소자의 제조방법. The method of claim 3, wherein the word line conductive film is formed of a metal, an alloy, a metal oxynitride, or a conductive carbon compound. 제 4항에 있어서, 상기 워드라인용 도전막은 W, Cu, TiN, TaN, WN, MoN, NbN, TiSiN, TiAlN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoSiN, MoAlN, TaSiN, TaAlN, Ti, Mo, Ta, TiSi, TaSi, TiW, TiON, TiAlON, WON, TaON등으로 형성하는 계단형 반도체 메모리 소자의 제조방법. The method of claim 4, wherein the conductive film for the word line is W, Cu, TiN, TaN, WN, MoN, NbN, TiSiN, TiAlN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoSiN, MoAlN, TaSiN, TaAlN, Ti, A method of manufacturing a stepped semiconductor memory device formed of Mo, Ta, TiSi, TaSi, TiW, TiON, TiAlON, WON, TaON, and the like. 제 3항에 있어서, PCRAM을 형성하고자 하는 경우에는 상기 데이터 저장물질로서, Te, Se, Ge, 이들의 혼합물 및 이들의 합금으로 구성되는 군에서 선택되는 물질로 형성하는 계단형 반도체 메모리 소자의 제조방법. The stepped semiconductor memory device of claim 3, wherein the data storage material is formed of a material selected from the group consisting of Te, Se, Ge, mixtures thereof, and alloys thereof. Way. 제 6항에 있어서, 상기 데이터 저장물질로서, Te, Se, Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, As, S, Si, P, O, N 및 이들의 혼합물 또는 합금으로 형성하는 계단형 반도체 메모리 소자의 제조방법. The stepped semiconductor memory of claim 6, wherein the data storage material is formed of Te, Se, Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, As, S, Si, P, O, N, and mixtures or alloys thereof. Method of manufacturing the device. 제 3항에 있어서, 상기 데이터 저장물질 형성시, 단면적을 감소시키기 위하여 상기 제3층간절연막이 제거된 홀 내부에 스페이서를 형성하는 단계를 더 포함하는 계단형 반도체 메모리 소자의 제조방법. 4. The method of claim 3, further comprising forming a spacer in the hole from which the third interlayer insulating film is removed to reduce the cross-sectional area when forming the data storage material. 제 7항에 있어서, 상기 PCRAM을 선택하는 스위칭 소자는 Si, SiGe, Ge, GaAs 등으로 형성하는 계단형 반도체 메모리 소자의 제조방법. 8. The method of claim 7, wherein the switching element for selecting the PCRAM is formed of Si, SiGe, Ge, GaAs, or the like. 제 9항에 있어서, 상기 스위칭 소자는 PN 다이오드 또는 쇼트키 다이오드로 형성하는 계단형 반도체 메모리 소자의 제조방법. 10. The method of claim 9, wherein the switching element is a PN diode or a Schottky diode. 제 10항에 있어서, 상기 스위칭 소자 상부에 합금, 금속 산화질화물 또는 도전성 탄소화합물등으로 히터를 형성하는 계단형 반도체 메모리 소자의 제조방법.The method of claim 10, wherein a heater is formed on the switching element by an alloy, a metal oxynitride, a conductive carbon compound, or the like. 제 11항에 있어서, 상기 히터는 W, Cu, TiN, TaN, WN, MoN, NbN, TiSiN, TiAlN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoSiN, MoAlN, TaSiN, TaAlN, Ti, Mo, Ta, TiSi, TaSi, TiW, TiON, TiAlON, WON, TaON등으로 형성하는 계단형 반도체 메모리 소자의 제조방법.The method of claim 11, wherein the heater is W, Cu, TiN, TaN, WN, MoN, NbN, TiSiN, TiAlN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoSiN, MoAlN, TaSiN, TaAlN, Ti, Mo, Ta A method of manufacturing a stepped semiconductor memory device, which is formed of TiSi, TaSi, TiW, TiON, TiAlON, WON, TaON and the like. 제 12항에 있어서, 상기 히터는 MIEC(Mixed Ionic Electronic Conductor), OTS(Ovonix Threshold Switch) 특성을 가지는 물질로 형성하는 계단형 반도체 메모리 소자의 제조방법.The method of claim 12, wherein the heater is formed of a material having characteristics of Mixed Ionic Electronic Conductor (MIEC) and Ovonix Threshold Switch (OTS). 제 13항에 있어서, 상기 다이오드와 히터의 계면간 접촉 저항을 감소시키기 위하여 실리사이드 공정을 실시하는 단계를 더 포함하는 계단형 반도체 메모리 소자의 제조방법. The method of claim 13, further comprising performing a silicide process to reduce the contact resistance between the diode and the interface between the heaters. 제 3항에 있어서, 상기 비트라인은 금속, 합금, 금속 산화질화물 또는 도전성 탄소화합물로 형성하는 계단형 반도체 메모리 소자의 제조방법. The method of claim 3, wherein the bit line is formed of a metal, an alloy, a metal oxynitride, or a conductive carbon compound. 제 15항에 있어서, 상기 비트라인은 W, Cu, TiN, TaN, WN, MoN, NbN, TiSiN, TiAlN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoSiN, MoAlN, TaSiN, TaAlN, Ti, Mo, Ta, TiSi, TaSi, TiW, TiON, TiAlON, WON, TaON등으로 형성하는 계단형 반도체 메모리 소자의 제조방법.The method of claim 15, wherein the bit line is W, Cu, TiN, TaN, WN, MoN, NbN, TiSiN, TiAlN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoSiN, MoAlN, TaSiN, TaAlN, Ti, Mo, A method for manufacturing a stepped semiconductor memory device formed of Ta, TiSi, TaSi, TiW, TiON, TiAlON, WON, TaON, and the like. 제 3항에 있어서, 상기 데이터 저장물질의 최상부 표면이 주위의 다른 물질막과 동일선상에 위치하는 계단형 반도체 메모리 소자의 제조방법. 4. The method of claim 3 wherein the top surface of the data storage material is co-linear with the surrounding material film. 제 3항에 있어서, 상기 데이터 저장물질의 최상부 표면이 주위의 다른 물질막에 비해 보다 높은 계단형 반도체 메모리 소자의 제조방법.4. The method of claim 3 wherein the top surface of the data storage material is higher than other surrounding material films.
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